食品与中药的红外光谱快速检测技术
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食品与中药的红外光谱快速检测技术

 
摘要食品、中药等复杂混合物的全面质量检测需要综合使用多种物理、化学与生物分析方法,其中一些操作简便、 高通量、低成本的快速检测方法是保障食品和中药质量与安全的首要技术条件。本文简述了 〃指纹图谱〃与〃指标成分〃相 结合的食品中药质量控制思路,介绍了 "多级红外光谱宏观指纹分析法〃的基本原理和特点,并且给出了一些食品和中药红外光谱仪分析的典型实例。理论研究和实践应用证明,以红外光谱为基础,将整体成分指纹图谱控制与指标成分定性定量检测 有机结合,可以建立准确有效、简便快速的食品中药质量检测方法体系。
食品与中药质量检测的方法思路
近年来,食品与中药安全问题频繁发生,保证食 品与中药的质量与安全已经成为关系到国计民生的 重大社会问题。伪劣食品与中药的出现是经济、社 会、法律等多方面因素共同作用的结果,缺乏快速、 准确的食品和中药质量检测方法也是重要因素之 一。因此,合理准确、简便可行的质量检测方法是保 障食品和药物安全所必需的技术支撑。
1.1以"指标成分〃为基础的质量检测
成分复杂多变是食品和中药质量检测的根本难 题所在。对于成分复杂的混合物,评价其质量与安 全的最理想做法是准确测定其中每一种成分的化学 结构与数量,并且明确每一种成分对人体的作用效 果。然而,对复杂混合物中每一种成分都进行定性 和定量分析需要消耗大量的人力、物力和时间,对于 数量巨大的食品和中药样本是不可行的。因此,目 前所采取的食品和中药质量检测方法基本都是以指 标成分测定为基础——对于一种食品或中药来说, 在众多成分中选择一种或几种功能相对明确的成分 作为"指标成分”根据这些有益或有害成分的含量 高低评价食品或中药的质量与安全。这类方法既能 够降低样品检测成本,又能够在一定程度上控制食 品与中药质量与安全。但是,这类以指标成分含量 高低为标准的评价方法具有很明显的漏洞:
(1)  指标成分含量不_定能够反映样品质量。 例如,一种中药的疗效往往是多种组分协同作用的 结果,在这种协同作用尚不十分明确的情况下,单纯 以一种或几种成分的含量高低来评价药物整体质量 是不准确的。
(2)  对于指标成分以外的其他成分缺乏控制。 指标成分在一些食品和中药里的含量可能很低,如 果只检测指标成分,而不了解其他大部分成分的化 学信息,则难以充分保证食品和中药的安全。指标 成分检测大多是"靶向分析”难以发现样品中出现 的未曾预料到的成分。

(3)指标成分的检测方法可能存在问题。例如, "凯氏定氮法"以氮元素含量计算蛋白质含量,就存 在其他含氮物质可以"冒充"蛋白质的漏洞。再者, 很多检测的方法的成本过高、耗时很长,不适合于对 大量样品进行快速分析。
1.2以"指纹图谱〃为基础的质量检测[1-2]
鉴于以"指标成分"为基础的食品和中药质量检 测方法存在的上述种种漏洞,人们开始寻求以"指纹 图谱"为基础的质量检测方法。使用某种光谱、波谱、 能谱、质谱或色谱等方法对未经彻底分离纯化的、含 有多种成分的混合物样品进行测试时,各种成分的 响应信号可能会加和在一起,形成与混合物样品组 成密切相关的特定形式的图谱。如果这种图谱的信 号特征与混合物样品组成具有专一而且固定的对应 关系(如同人的指纹一样),那么该图谱就可以称之为 混合物的(化学)指纹图谱"。当混合物的组成发生 改变时,其指纹图谱也会随之变化。因此,通过比较 待测样品与标准样品的指纹图谱是否一致,即可判 断二者的化学成分在种类以及数量上是否相同。对 于食品和中药来说,可以选择某些经过充分验证的 标准样品作为参照,比较待测样品与标准样品的指 纹图谱相似程度,即可对待测样品做出相应的评价。 以"指纹图谱"为基础的质量检测方法具有显著的优 势:
(1)  指纹图谱是混合物样品中几乎所有成分的 信号叠加,可以对样品成分进行整体控制,不会忽略 指标成分以外的其他成分。指纹图谱检测是"非靶 向分析”,意外成分的存在也可以被发现。
(2)  测试指纹图谱时混合物样品不需要彻底的 分离或纯化,大大简化了样品预处理过程,显著缩短 了测试时间。便携式仪器和数据处理软件的发展, 让我们得以建立一些以"指纹图谱"为基础的、简便 快速、高通量、低成本、现场化的检测技术。
(3)  在难以弄清一种中药所含各种成分与其药 效的"因果关系"时,通过中药指纹图谱与其药效的 "相关关系"进行质量控制更加可行。
然而,以"指纹图谱"为基础的质量检测方法也 存在明显的制约:
(1)  指纹图谱是混合物样品中多种成分的信号 叠加,要获取单一成分的信息需要相对复杂的数据 处理技术。
(2) 
指纹图谱上混合物中低含量成分的信号可于对含量较低的成分进行分析。
1.3 "指纹图谱+指标成分〃的质量检测方法
以"指标成分"和"指纹图谱"为基础的质量检 测方法各有优缺点,二者有机结合可以发展出更加 全面、准确、可行的食品中药等混合物产品质量和安 全评价方法。"指纹图谱"检测方法擅长于整体化学 成分的非靶向分析,可以对待测样品进行快速筛查 和判断,及时发现明显缺少必要成分或含有异常成 分的样本。"指标成分"检测方法擅长于特定化学成 分的靶向分析,可以对功能明确的单一化学成分进 行准确的定性和定量分析。以"从整体到局部,先定 性后定量"的混合物分析原则为指导,食品、中药等 混合物产品的质量评价可以采取"整体成分指纹图 谱控制+指标成分定性定量检测"的路线:
(1)  通过与标准样品的指纹图谱比较初步评价 待测样品的质量,判断待测样品中是否明显缺乏必 需成分或者存在异常成分(根据图谱特征分析问题 样本的可能原因,选择相应分析方法进行深入研究)。
(2)  对待测样品中的指标成分进行可靠的定性 分析,避免出现将三聚氰胺当作蛋白质这类根本性 错误。
(3)  对待测样品中的指标成分进行准确的定量 分析,据此进一步对待测样品质量与安全性进行评
价。
2多级红外光谱宏观指纹分析法
广义的红外光谱描述的是物质对于 0.78~1000jUm波长范围内红外光的吸收程度与 波长的关系。在实际应用中,红外光谱又可以进一 步分成近红外光谱(0.78~2.5iUm)、中红外光谱 (2.5~25jUm)和远红外光谱(25~1000jUm)。 中红外光谱发展最早、应用最广泛,因此习惯上直接 称其为红外光谱。本文论述的主要是以中红外光谱 为基础的食品和中药检测方法。为了遵从习惯,下 文均将中红外光谱简称为红外光谱。
2.1混合物红外光谱解析三大难题
几十年来,红外光谱都是对纯化合物进行结构 解析与确认的经典方法。分子官能团具有相对固定 的红外吸收频率,根据化合物红外光谱上的吸收峰 位置可以了解其分子结构信息;不同化合物的红外 光谱总是具有一定程度的差异,因此红外光谱可以 作为"指纹图谱"对化合物进行结构确认。对于简单
可以根据该溶质的红外光谱特征峰强度对其浓度进 行定量分析。混合物的红外光谱可以近似看作是其 中所含各种化合物的光谱叠加,还包含了分子相互 作用对光谱的影响。不同成分的吸收峰相互重叠, 对单一成分进行解析非常困难,谱图的指纹特征性 也有所下降。因此,传统上认为红外光谱只能用于 纯化合物的结构解析与确认,不可以对成分复杂的 混合物进行分析。混合物红外光谱解析的困难可以 概括为"三大难题,九个如何"[1-2]
(1)  样本分辨难——如何获得优质谱图?如何 提高分辨能力?如何增加信息表达?很多混合物样 本间的差异本身就很小,如果仪器测试结果的重复 性和重现性不佳,那么也就无法对不同样本进行准 确区分。组成相近的混合物红外光谱高度相似,需 要借助一定的硬件和软件方法寻找或者放大其差 异。对于组成高度相近的样本,需要得到其尽可能 多的信息,从而发现不同样本的差异。
(2)  成分解析难——如何解析主体成分?如何 解析特定成分?如何解析相对含量?混合物中各种 成分的含量不同,有的成分含量较高,其特征峰在混 合物红外光谱上占据主导地位;有的成分含量降低, 其特征峰在混合物光谱上并不显著;一些微量成分 的特征峰可能被其它成分的吸收峰完全掩盖。如何 使用相应的谱图解析方法对不同含量的成分进行分 析,是混合物红外光谱分析的显著难题。
(3)  谱图分析难——如何智能化解析?如何智 能化鉴别?如何智能化定量?混合物的红外光谱解 析需要一定的专业知识基础,为了降低谱图分析的 难度而便于普及使用,需要借助计算机软件实现智 能化的混合物成分分析、不同样本鉴别、特定成分定 性定量分析等光谱解析操作。
2.2混合物红外光谱解析三大方法
随着思维理念与软硬件技术的发展,大量事实 证明红外光谱不仅可以用于复杂混合物的分析和研 究,而且具有很多超越其他分析技术的优势[1-7]。为 了区分混合物与纯化合物红外光谱的性质差异,我 们将混合物红外光谱特征称为"红外光谱宏观指纹 特征"[1-2]。混合物的红外光谱宏观指纹特征主要表 现在:


(1)不同分子中同一种官能团的红外吸收峰具 体位置有所差别,但总是在一定的波数区域内出现 的,表现为混合物红外光谱上的重叠峰。如果将这 构解析,得到混合物中物质群组的信息。换句话说, 纯化合物的红外光谱吸收峰给出其官能团信息,而 混合物的红外光谱吸收峰则说明其中含有某些具有 相似官能团的分子。
(2)  混合物的红外光谱可以近似看作所含各种 组分红外光谱的叠加,特定成分的特征吸收峰依然 可以在其中表现出来。通过与纯化合物红外光谱进 行比较,可以确定混合物中某些具体的成分。混合 物红外光谱中,特定成分的特征吸收峰的表现程度 主要与两个因素有关,一是不同成分的谱峰重叠程 度,二是该成分的相对含量。一般说来,某种成分 在混合物中所占比例越大,其特征峰在混合物红外 光谱上表现出的强度越大,数量也越多。如果混合 物中某种成分的含量相当高,那么混合物的红外光 谱与该成分的红外光谱就会非常相似。在谱峰重叠 不显著的区域,特定成分的含量很低时也能在混合 物光谱上观察到其特征峰;在谱峰重叠显著的区域, 特定成分含量不是很低时也可能看不到明显的特征 峰,此时需要借助一定的光谱分辨增强方法。
(3)  红外光谱具有极强的指纹特征性,物质在结 构或含量上的变化都会在其红外光谱上表现出来。 混合物的红外光谱与其所含成分密切相关,当混合 物的组成有所变化时,其红外光谱必然也会随之发 生相应的改变。因此,可以根据红外光谱上的差异 对不同的混合物样本进行鉴别。不同纯化合物的红 外光谱差异比较显著,一般通过直接观察即可分辨, 而不同混合物的红外光谱差异可能很微弱,需要借 助一些分辨增强技术来进行鉴别。
针对混合物红外光谱分析的目的与难题,可以 根据混合物红外光谱宏观指纹特征建立一整套的光 谱解析方法,称为"多级红外光谱宏观指纹分析法”, 其基本思路是使用多级光谱进行分辨增强,根据叠 加峰进行成分解析,借助统计方法进行客观量化的 识别和成分分析。多级红外光谱宏观指纹分析法包 含了众多具体的光谱解析方法,可以概括分类为"三 大方法,九个措施"[1-2]
(1)三级鉴别法——传统红外光谱、二阶导数 光谱、二维相关光谱。传统傅立叶变换红外光谱、二 阶导数红外光谱和二维相关红外光谱具有分辨能力 逐级增强的特点,是混合物整体鉴别和各种成分定 性定量分析的基础,构成了混合物"红外光谱三级鉴 别"体系[1-4]。传统红外光谱是对混合物进行鉴别的 基础,构成"一级鉴别";二阶导数红外光谱具有更高
鉴别";二维相关红外光谱可以得到样品在外界扰动 下的动态变化信息,将传统光谱在第二维上展开,因 此具有更高的分辨能力,构成"三级鉴别"。
(2)  整体解析法——主体成分解析、特定成分解 析、相对含量比较。通过官能团指认或者与标准谱 图比较,可以根据混合物红外光谱上的多种成分叠 加峰或某种成分特征峰对混合物的成分进行定性分 析,也可以根据特征峰相对强度的变化得知某些成 分相对含量的改变。
(3)  专家识别法——光谱数据库检索、相似度量 化评价、多组分定量分析。借助于光谱数据库、相似 度量化评价和多组分定量分析模型,可以通过计算 机软件完成对待测样本的整体鉴别和成分分析,大 大简化了检测过程,降低了对使用者的能力要求。
2.3混合物红外光谱解析三大特性
为什么选择红外光谱进行复杂混合物分析?
(1)  绝大部分化合物都有指纹般的红外光谱特 征,因而红外光谱是一种无需标记的分析技术,既可 以在没有先验知识的情况下同时获取混合物中整体 成分信息,为进一步的分析提供方向指导,又可以对 某些特定成分进行有针对性的检测。
(2)  红外光谱既可以对较大尺寸的混合物样品 进行分析,也可以借助显微镜对纳克级的微小样品 进行检测,还可以研究宏观样本中微米级的局部区 域。
(3)  随着计算机与化学计量学的发展,红外光谱 不仅可以对混合物成分进行详细的定性分析,还可 以对某些成分进行相当准确的定量分析。
(4)  丰富灵活的采样技术使各种形态的样品红 外光谱测试都可以做到简便、快速、无损,测试成本 低廉,对环境基本无污染。也就是说,从均相样本整 体分析到异相样本局部分析,从整体成分定性分析 到特定成分定量分析,以及各种形态大量样本的快 速分析,红外光谱都可以发挥重要的作用。
使用红外光谱法对食品、中药等混合物进行质 量控制,可以实现从原料到成品的全过程控制,其优 势特点表现在样品测试分析、仪器购置维护、操作人 员培训、时间成本消耗等诸多方面,可以归纳为"三 大特性,九个特点"[1-2]
(1)—次性——仪器购置一次性、样品测试一次 性、谱图分析一次性。红外光谱仪器一次性购置完 成,日常使用成本极低。样品只需进行一次测试,得 到一张谱图即可用于各项指标的定性与定量分析。
借助于计算机软件,只需点几下鼠标输入待测样本 的光谱,即可一次性完成所需多项指标的分析。
(2)  真实性——无预处理存原本性、反映全部成 分信息、跟踪组分变化规律。红外光谱测试不需要 提取分离等预处理步骤,不对样本造成破坏,保留了 样本的原本性,可以得到全部成分的真实信息。红 外光谱可以实时反映样本的变化,可以跟踪各组分 结构、含量与相互作用的改变。
(3)  可控性——同样本重复性、仪器间重现性、 操作者一致性。红外光谱测试具有很好的重复性, 样本的整体信息可以得到稳定的展现。红外光谱仪 器间重现性好,同一样本在不同仪器上进行测试可 以得到一致的谱图。对标准化合物或混合物样本进 行一次测试,所得谱图可以在不同仪器、不同时间、 不同地点使用,极大的降低了标准品的消耗。红外 光谱仪器与软件易学易用,不同操作者可以得到一 致的分析结果。
3食品与中药红外光谱分析实例
3.1奶粉的红外光谱分析[1_2,8_121 3.1.1奶粉主体成分解析
与大多数食品一样,奶粉中含量最多的成分一 般是蛋白质、脂肪和糖类物质。在图1所示奶粉样 本的红外光谱中,可以清楚看到三种主要成分的特 征2925、2854、1747和1160cm-1等吸收峰基本来自 脂肪,1659和1547cm-1则是蛋白质的特征吸收峰, 糖类成分的主要表现为1150cm-1以下区域的C-O 伸缩振动吸收峰和糖环呼吸振动吸收峰。根据奶粉 红外光谱的特征峰可以对其主要成分进行指认,并 可进一步分析各类成分的含量、所含糖类物质的具 体种类等。

 
3.1.2脂肪与蛋白质含量分析
根据特征峰相对强度的变化,可以比较不同奶粉 样本中几种主要成分的相对含量差异。图2所示为 全脂、低脂与脱脂奶粉的红外光谱。全脂奶粉的红外 光谱中1747cm-1处脂肪羰基C=O伸缩振动吸收峰 明显高于1659和1547cm-1处蛋白质酰胺丨带和酰胺 II带吸收峰,而低脂奶粉中脂肪羰基吸收峰的相对强 度有显著的下降,在脱脂奶粉中则几乎看不到脂肪在 2854,1747和1160cm-1等位置的特征峰。

图3所示为两个市售奶粉样本的红外光谱。按 照其产品包装说明,奶粉a中蛋白质含量为19.3%, 脂肪含量为22.5%, 二者相对比例为0.86:1;奶粉 b中蛋白质含量为18.0%,脂肪含量为20.0%, 二者 相对比例为0.90:1。但是从红外光谱上看,奶粉a 中脂肪的1747cm-1特征峰明显高出1660cm-1处蛋 白质的特征峰很多,而奶粉b中脂肪的1747cm-1特 征峰却弱于蛋白质的1657cm-1特征峰,说明至少其 中一个奶粉产品的成分标注是不准确的。
3.1.3糖类成分定性定量分析

糖类物质是奶粉中除蛋白质和脂肪以外含量最 高的成分,也可具体分为乳糖、蔗糖、糊精等不同的 种类。将奶粉与这些糖类纯物质的红外光谱进行比 较,特别是1200-950cm-1区域的C-O伸缩振动吸收峰和950cm-1以下区域的指纹峰,可以定性了解 待测样本中是否明显含有相应的糖类成分。图4所 示的三个奶粉样本与糊精、乳糖和蔗糖的光谱特征 分别对应,说明奶粉A中含有较多糊精,奶粉B中含 有较多乳糖,而奶粉C中含有较多蔗糖。借助于一 定的化学计量学技术,可以对奶粉中的糖类成分进 行自动识别,如图5和图6所示。根据奶粉中糖类 成分的特征峰强度建立校正模型,还可以对糖类成 分进行准确的定量分析,。
 
3.2.1干红与甜红葡萄酒鉴别
酒类样品中含有大量的水,可以用衰减全反射 (ATR)技术直接测量其红外光谱。图8所示为使 用ATR技术测量的纯水、水-乙醇混合物、水-乙 醇-葡萄糖混合物的红外光谱,可以看到:水的吸 收峰占据主导地位;500~800cm-1区域可以看到 乙醇的特征峰;200~900cm-1区域可以看到葡萄 糖的特征峰,但是与乙醇特征峰相互重叠。随着葡 萄糖含量的增加,水-乙醇-葡萄糖混合物的红外 光谱呈现非常规律的变化,如图9和图10所示。对 120个红酒在1500-950cm-1范围内的红外光谱进行 主成分分析(PCA),根据第一和第二主成分得分投 影图(如图11所示)可以对干红和甜红葡萄酒进行 准确的区分。
3.2.2葡萄酒品质分析
水和乙醇是葡萄酒的主体成分,但是葡萄酒的 品质主要决定于水和乙醇以外的其他有机或无机成 分。如图8所示,使用ATR技术对葡萄酒进行直接 测量时,谱图特征主要为水和乙醇,其他成分很难观察到。
因此,需要在略高于室温的条件下让其中的水 和乙醇基本挥发,取剩余的固态物质进行红外光谱 分析,如图12所示。挥发剩余物的红外光谱中表现 出酯、酸、醇、糖等多类物质的特征峰,这些物质的 种类与含量决定了葡萄酒的口味与品质。图12中, 葡萄酒A和B的红外光谱非常相似.品酒师对其评价也基本一致,认为这两种葡萄酒果香典型、酒香协 调、酒体醇厚、香气丰满、整体滋味协调、品质较好, 是典型的干红葡萄酒。葡萄酒C的谱图特征与A 和B略有不同,而品酒师也认为此酒具有独特的味 道。葡萄酒D的谱图非常特殊,品酒师认为其香气 差、有明显异味、酸度过大,可能是硫残留较高。收 集大量的葡萄酒样本,将其红外光谱与品酒师评价 进行相关分析,有望建立更加客观、简便、易用的葡 萄酒品质评价方法。
白酒的主体成分也是水和乙醇,为了观察到决 定其品质的其他有机或无机成分,也需要先让其中 的水和乙醇基本挥发,取剩余的固态物质进行红外 光谱分析。图13所示为不同年份白酒基酒挥发剩 余物的红外光谱,随着年份的增加,酒中酯类成分的 含量在提高,因而香味更加厚重。不同香型白酒的 成分有所差异,在红外光谱上也能表现出来,如图14
3.3冬虫夏草的红外光谱分析[1-281 3.3.1冬虫夏草主体成分分析
冬虫夏草是麦角菌科真菌冬虫夏草菌 (Cordyceps sinensis(Berk.)Sacc.)寄生在蝙幅蛾 科昆虫蝙蝠蛾幼虫上的子座与幼虫尸体的复合体, 可以分为子座和虫体两部分。子座主要是真菌部 分,又可分为子囊区和菌丝束两个区域;虫体主要是 动物部分,又可分为头部、腹部和尾部三个区域。图 15所示为冬虫夏草整体、虫体、子座和甘露醇的红 外光谱。冬虫夏草虫体部分主要成分为脂肪(2925、 2854、1746cm-1)、蛋白质(1657、1547cm-1)和甘露醇 (1082、1024、930、888cm-1),而子座部分基本不含脂 肪,而且某些多糖类成分的吸收峰与甘露醇特征峰 相互重叠。甘露醇又称"虫草酸",被看做冬虫夏草 的主要活性成分之一。
3.3.2非法处理冬虫夏草的鉴别
冬虫夏草价格昂贵,因此不法分子采取各种手 段填充其他物质以增加重量,常见的一种处理方法 是在冬虫夏草虫体部分注入蔗糖。如

被用作冬虫夏草的伪品,性状相似而难以区分。图 18所示为不同生长期冬虫夏草与常见伪品的红外 光谱,可以明显看到麻脊背草、北虫草的脂肪含量较 高,而蛋白质和甘露醇含量较低。对冬虫夏草、麻脊 背草和北虫草在1800~800cm-1区域的红外光谱 进行主成分分析,根据第一主成分的得分即可对冬 虫夏草及其伪品进行明确的区分(如图19所示)。图 20所示第一主成分的载荷图上,蛋白质和甘露醇特 征峰为正,脂肪特征峰为负,而冬虫夏草在第一主成 分上得分为正,伪品得分为负,也说明了冬虫夏草中 蛋白质和甘露醇含量较高,而伪品中脂肪含量较高。 此外,在1700~1500cm-1区域的二阶导数红外光 谱进行主成分分析时,也可以看到真伪冬虫夏草有 明显差异(如图21所示),说明其中蛋白质不仅含量 不同,二级结构也有区别。
 
这些产品中适量添加辅料是允许的,也经常是生产 工艺所必需的。但是,如果为了经济利益而过量添 加辅料,则属于掺假造假行为。
 
与西洋参原药材、常见辅料的红外光谱比较可知A 产品与原药材红外光谱基本一致,说明其主要成分 为西洋参药材粉末,辅料很少;B产品与葡萄糖红外 光谱一致,C产品与蔗糖红外光谱一致,这两款产品 中西洋参含量很少,辅料含量极高。
4总结
红外光谱用于食品和中药的质量检测具有准 确、直接、无损、简便、快速、廉价等显著优势。通过 在标准光谱数据库中进行检索,或者使用预先建立 的数学模型,可以准确识别未知样品、获得某些目标 成分的信息。固体、液体和气体样品都可以直接测 量,不需要进行处理,也不会对样品造成破坏。以"多 级红外光谱宏观指纹分析法"为理论基础,结合轻巧 便携的手持式仪器硬件、智能向导的一键式操作软 件,可以建立随时随地、人人可用、准确可靠的食品 和中药快速质量检测方法,真正实现"开机即用,拆 包即测,结果即得"。
然而,红外光谱不容易检测混合物中含量极低 的成分,此时需要对样品进行适当的分离提取等处 理,或者使用色谱、质谱等技术对某些微量成分进行 检测。在"从整体到部分,先定性后定量"的原则指 导下,将红外光谱与色谱、质谱等多种技术有机结合 在一起,以红外光谱为先导,研究混合物整体成分和 含量较高的特定成分,监控混合物的分离过程,以色 谱、质谱等技术分析含量较低的特定成分,当是今后 混合物分析研究的发展方向。